Comunicatii Seriale

Comunicațiile seriale nu sunt nici mai rapide nici mai ieftine decât cele paralele, dar permit transferul de informație între echipamente aflate la distanțe foarte mari. Multă vreme portul serial al calculatorului a fost identificat cu interfața serială reglementată prin standardul RS-232C. În timp, pe lângă interfața RS-232C s-au mai definit și alte interfețe seriale care compensează, neajunsurile acesteia în diferite aspecte. Acestea sunt USB, IrDA, I2C, Access Bus, P1394. (1)

Cu toate că transferul paralel este mai rapid, majoritatea transmisiilor de date între calculatoare sunt făcute pe cale serială pentru a reduce costul cablului si conectorilor. Există și limitări fizice de distanță, care nu pot fi depășite de magistralele paralele. In comunicația serială, datele sunt transmise bit cu bit. Toate comunicațiile sunt caracterizate de trei elemente principale:

Date – înțelegerea lor, scheme de codificare, cantitate 

Temporizări – sincronizarea între receptor si emițător, frecvență si fază 

Semnale – tratarea erorilor, controlul fluxului și rutare

3.1.1 Sincronizare, frecvență și fază

Este necesar un mecanism care să permită receptorului să citeasca corect bitul curent de intrare la jumatatea duratei lui. Receptorul trebuie să știe durata unui bit și de unde începe bitul respectiv, adică trebuie să cunoască frecvența si faza secvenței de date. Dacă emițătorul si receptorul au acelasi semnal de tact, sincronizarea este perfectă; emițătorul scrie bitul pe frontul crescator al tactului, iar receptorul citește bitul pe frontul coborâtor al tactului. Problemele apar când receptorul si emițătorul nu au un semnal de tact comun. Dacă duratele celor două semnale de tact, pentru emițător si receptor, nu sunt egale, apare o decalare, care după un anumit număr de biți rezultă intr-o eroare. Pentru a evita aceasta, receptorul trebuie resincronizat regulat la nivel de bit. Din alte motive, trebuie resincronizate si începutul unui caracter, pachet sau mesaj.

Standardul RS232

Este cel mai cunoscut și utilizat standard de comunicație serială asincronă. El a fost definit de mai multe organisme internaționale de standardizare sub diferite nume : IEC232, CCITT-V24, RS232C. Inițial standardul a fost conceput cu scopul de a permite conectarea unui terminal inteligent la un calculator central printr-o legătură telefonică. Standardul precizează interfața dintre un echipament de calcul (DTE- Data Terminal Equipment) și adaptorul său la linia telefonică (DCE- Data Circuit-terminating Equipment), cunoscut și sub numele de modem (Modulator/Demodulator). Interfața permite comunicația serială bidirecțională între cele două echipamente, și este simetrică la cele două capete ale liniei. Ulterior specificațiile acestei interfețe s-au folosit pentru a realiza legături seriale între diverse echipamente fără a se mai folosi un modem.

Magistralele seriale se utilizează ca suport pentru transferul de informații între calculatoare sau între componentele autonome ale unui sistem de calcul. Caracteristica principală a oricărei magistrale seriale este transmisia secvențială, bit cu bit, a informațiilor, folosindu-se un număr redus de semnale (linii de comunicație). În contrast, o magistrală paralelă permite transferul simultan al mai multor biți (8, 16, 32), folosind în acest scop mai multe linii de date. În principiu transmisia serială asigură o viteză de transfer mai redusă, în comparație cu transmisia paralelă, însa este mai economică (număr mai redus de linii de transmisie), iar distanța maximă de transfer este semnificativ mai mare.

RS-232 este un standard „complet”. Aceasta înseamnă că standardul asigură compatibilitatea  între sistemele gazdă și periferice specificând:

Nivelurile tensiunii și semnalului

Configurația pinilor și a legăturilor

Controlul informației între cele două echipamente

Spre deosebire de multe standarde care specifică sau delimitează numai caracteristicile electrice ale unei interfețe date, RS-232 specifică proprietățile electrice, funcționale și mecanice care trebuie îndeplinite pentru a se respecta cele 3 criterii de mai sus.

3.2.1 Caracteristicile electrice

Secțiunea standardului RS-232 privitoare la caracteristicile electrice include specificațiile asupra nivelului tensiunilor, rata de schimbare a nivelului semnalului și impedanța legăturii
            Standardul RS-232 a fost definit în 1962. Cum aceasta a fost înainte de cercetările asupra TTL, el nu folosește nivelurile logice de 5 și 0 volți. În schimb, nivelul superior al ieșirii driverului este definit ca fiind între +5 și +15 volți, și nivelul inferior al ieșirii driverului este definit ca între -5 și -15 volți. Figura 3.2 ilustrează nivelurile logice definite de standardul RS-232. Este important de menționat că nivelul jos (între -5 și -15 volți) este definit ca logic 1 și un nivel înalt (între +5 si +15 volți) este definit ca logic 0.
            RS-232 delimitează și traficul maxim de date admis la ieșirea driverului. Această limitare a fost introdusă pentru a reduce probabilitatea de interferență a semnalelor adiacente. Cu cât e mai scurt timpul de urcare si coborâre, cu atât e mai mică posibilitatea de interferență. Ținând cont de aceste lucruri, viteza maximă de transfer a datelor este de 20Kbiți/s.
            În ceea ce privește impedanța între driver și receptor, aceasta este menționată ca fiind între 3 KΩ și 7 KΩ. În standardul inițial RS-232, cablul dintre cele două echipamente era specificat ca fiind de maxim 15 metri în lungime. Această parte a standardului a fost schimbată în revizuirea „D” (EIA-TIA-232-D). În loc de a impune lungimea maximă a cablului, a fost specificată o încărcare capacitivă maximă a cablului de 2500 pF. Lungimea maximă a cablului ce poate fi folosit este determinată de capacitatea pe unitate de lungime, care trebuie menționată de producătorul cablului.

Fig. 3.2. Nivelurile logice ale RS-232

3.2.2 Caracteristici funcționale

            Din moment ce RS-232 este un standard „complet”, include mai mult decât specificații asupra caracteristicilor electrice. Al doilea aspect acoperit de acest standard se referă la caracteristicile funcționale ale interfeței. Concret, RS-232 definește funcțiile diferitelor semnale care sunt folosite în interfață. Aceste semnale sunt împărțite în categorii diferite: de masă, de date, de control și de timp.

3.2.3 Caracteristicile mecanice

             A treia arie acoperită de RS-232 se referă la interfața mecanică (conectorul). În particular, RS-232 specifică un conector cu 25 pini. Aceasta este marimea minimă a conectorului care permite folosirea tuturor semnalelor definite în secțiunea funcțională a standardului. Așezarea pinilor în cadrul acestui conector este arătată în figura 3.3.

            Deși RS-232 specifică un conector cu 25 de pini, trebuie menționat ca deseori nu este folosit acest conector. Aceasta datorită faptului că cele mai multe aplicații nu au nevoie de toate semnalele definite și deci un conector cu 25 pini este mai mare decât ar fi necesar. Se folosesc alte tipuri de conectori, cel mai popular fiind cel cu 9 pini DB9S, care este de asemenea ilustrat în figura 2. El este suficient pentru aplicațiile uzuale (cum ar fi un modem), permițând transmisia și recepția semnalelor necesare acestor aplicații.

Figura 3.3. Cupla serială cu 9 si 25 pini (partea de la calculator)

3.3. Transmisia datelor în RS-232

            Aceasta presupune un conector D cu 25 sau 9 pini, la care de cele mai multe ori sunt legate doar 3 fire. Un bit de 1 logic este transmis ca aproximativ -9 volți, iar un bit de 0 logic ca +9V. În standardul RS232 datele se transmit în urmatorul format:

Modul în care un octet furnizat de către utilizator este trimis pe linia TxD, respectiv recepționat pe linia RxD este invizibil utilizatorului. Aceste operațiuni sunt executate la nivel hardware de portul serial implementat cu circuitul UART 16550 (Recepție și Transmisie Universală în mod Asincron). Toate calculatoarele oferă porturi seriale pentru conectare de modem sau alte echipamente UART. Acest circuit face legătura între magistrala de date paralelă, din interiorul calculatorului, și linia serială din exterior. Pe lângă liniile de date și control,  circuitul oferă și linii de semnalizare a erorilor de cadrare, depășire, paritate și semnale de întrerupere pentru a anunța procesorul de sosirea unei date. Porturile seriale pot fi configurate la nivel utilizator prin interfețe grafice oferite de sistemul de operare, care permit stabilirea parametrilor unei comunicații seriale: viteza de lucru, numărul de biți de date, tipul de paritate, modul de control al fluxului de date.

Transmitted Data (TD): Unul dintre cele două semnale de date. Acest semnal este generat de DTE și recepționat de DCE.

Received Data (RD): Cel de-al doilea semnal de date. Acest semnal este generat de DCE și recepționat de DTE.

Request To Send (RTS): Când sistemul gazdă (DTE) este  pregătit să trimită date sistemului periferic (DCE),  RTS este ON. În sistemele simplex și duplex, această condiție menține DCE-ul în mod de recepție. În sistemele half-duplex, această condiție menține DCE-ul în mod de recepție și dezactivează posibilitatea de a transmite. Pentru ca DCE-ul să fie pe mod transmisie, RTS trebuie să fie OFF.

Clear To Send (CTS): CTS este folosit împreună cu RTS pentru a realiza handshaking-ul între cele două echipamente. După ce DCE-ul primește semnalul RTS, trimite CTS când este gata de a începe comunicarea.

Data Set Ready (DSR): Acest semnal este pus de DCE pe poziția ON pentru a indica, că este conectat la linia de comunicație.

Data Carrier Detect (DCD): Acest semnal este ON cand DCE-ul primește semnale corespunzătoare, compatibile cu criteriile sale. DCD rămâne ON atât timp cât purtătorul de semnal poate fi detectat.

Data Terminal Ready (DTR): DTR indică disponibilitatea echipamentului DTE. Semnalul este pus ON de către DTE când este pregătit de a transmite sau recepționa. DTR trebuie să fie ON înainte ca echipamentul DCE să activeze DSR.

Ring Indicator (RI): Este folosit în cazul comunicației cu un modem. RI indică prezența unui apel pe linia telefonică de comunicație.

            Acest tip de comunicație este folosit pentru a transmite un semnal digital de la un calculator la un modem, care folosind mai departe alte standarde de comunicație, transmite semnalul sub forma analogica, pe linia de telefon, spre un alt modem legat la alt calculator. Computerul se numeste DTE (Data Terminal Equipment), iar modem-ul DCE (Data Communications Equipment). În figura 3.4 este ilustrat rolul pe care-l are legătura RS232 în comunicațiile de date, pe distanțe mari.

Fig 3.4. Rolul legăturii RS-232 în comunicația datelor